翟 健， 金曉春

（1.中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院 學(xué)術(shù)信息中心，北京 100044）

1 基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的空間分析

1.1 基本原理

基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的空間分析，即基于矢量的地圖疊加、簡單緩沖區(qū)和類似的基本操作，基于柵格的濾波、地圖代數(shù)操作等。這些技術(shù)涉及按照簡單的數(shù)學(xué)規(guī)則處理一個或多個圖層，生成一個新的圖層。空間分析中涉及的統(tǒng)計概念往往包括描述性統(tǒng)計，如單元數(shù)量、均差、方差、最大值、最小值、累積值、頻率、一系列其他度量和距離計算及專門用于空間數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù)分析的統(tǒng)計技術(shù)（描述性技術(shù)、探測性技術(shù)、解釋性技術(shù)和預(yù)測性技術(shù)）[1,2]。

1.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)用現(xiàn)狀涉及數(shù)學(xué)計算和統(tǒng)計分析2個層面。

數(shù)學(xué)計算通常是按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)則，針對空間數(shù)據(jù)進行地形分析、水網(wǎng)及流域分析、密度分析、緩沖區(qū)分析、插值計算、圖層疊置及其他一些度量和計算操作，從而改變原圖層屬性或直接生成新的圖層；針對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，按照預(yù)先設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，計算出最優(yōu)方案，解決選址選線、服務(wù)區(qū)劃分等問題。具體對應(yīng)到城市規(guī)劃項目中，解決的是“基本地形地勢分析”、“人口社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的空間分布模擬”、“公共設(shè)施服務(wù)半徑”等方面的問題。

統(tǒng)計分析包括描述性統(tǒng)計或針對空間數(shù)據(jù)和時空數(shù)據(jù)的探測性、解釋性及預(yù)測性統(tǒng)計分析。描述性統(tǒng)計包括計數(shù)、極值、累積、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等，針對柵格數(shù)據(jù)，上述描述性統(tǒng)計也可在設(shè)定的鄰域范圍內(nèi)或多層數(shù)據(jù)之間進行。更豐富的統(tǒng)計分析涉及熱點分析、聚類分析、空間自相關(guān)分析、回歸分析等內(nèi)容。具體對應(yīng)到城市規(guī)劃項目中，解決的是較深入的“地形地勢分析”（地表曲率、起伏度等指標(biāo)）、區(qū)域內(nèi)城鎮(zhèn)社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的“空間自相關(guān)分析”、“熱點區(qū)域分析”等方面的問題。

1.3 存在的問題和應(yīng)用建議

1.3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提高

基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的空間分析在實踐應(yīng)用中遇到的最大難題就是可獲得的數(shù)據(jù)質(zhì)量不高。在圖形方面，矢量數(shù)據(jù)少，有空間信息的柵格數(shù)據(jù)少，即使有矢量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)本身在拓?fù)潢P(guān)系等方面也需較大的前期處理工作；在統(tǒng)計數(shù)據(jù)方面，存在各部門各層級間數(shù)據(jù)共享不暢、數(shù)據(jù)難以獲取以及各地區(qū)各層級統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)不一降低了數(shù)據(jù)可比性等問題；并且統(tǒng)計數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性較差，很多統(tǒng)計數(shù)據(jù)難以落實到空間單元上，而很多重要的空間單元又缺乏相應(yīng)的統(tǒng)計信息。

1.3.2 分析領(lǐng)域有待擴展

分析領(lǐng)域的擴展包括分析指標(biāo)的多樣化和統(tǒng)計分析的深度2個層面。

從分析指標(biāo)的多樣化來看，目前的空間分析存在以下特點：①關(guān)注點較單一，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)領(lǐng)域和數(shù)據(jù)構(gòu)成的單一。目前基于GIS的空間分析所用到的數(shù)據(jù)大多集中在人口、經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)等方面，且從數(shù)據(jù)構(gòu)成上以單一指標(biāo)或比例指標(biāo)為主。②關(guān)聯(lián)性分析不足，尚未充分發(fā)揮GIS對各種空間數(shù)據(jù)的比照、疊置、關(guān)聯(lián)分析的突出優(yōu)勢。

隨著宏觀發(fā)展模式的轉(zhuǎn)變，城市規(guī)劃本身的關(guān)注點也在擴展、深化或轉(zhuǎn)移。這些都使得GIS空間分析的數(shù)據(jù)對象，除人口、社會、經(jīng)濟方面的基本信息外，還應(yīng)具有更廣闊的視野。同時，要加強綜合性指標(biāo)的應(yīng)用，善于進行空間關(guān)聯(lián)分析，充分發(fā)揮GIS的優(yōu)勢。

在開封市城市總體規(guī)劃中，通過人口年齡構(gòu)成、近期遷移情況、教育結(jié)構(gòu)、職業(yè)結(jié)構(gòu)等多方面的空間信息（見圖1），來綜合考量城市市區(qū)范圍內(nèi)的教育、養(yǎng)老及各類公共設(shè)施的空間區(qū)位以及類型、數(shù)量、規(guī)模的配置（見圖2），做到以人為本，有的放矢。

圖1 開封市區(qū)人口分布特征空間分析示意圖

圖2 開封市區(qū)公共設(shè)施布局示意圖

在舟山市金塘島總體規(guī)劃中，根據(jù)產(chǎn)業(yè)和物流園區(qū)的建設(shè)時序（見圖3 a），來考慮不同空間位置上的村莊整治類型和措施，劃分改造提升區(qū)、整合集中區(qū)、適時遷移區(qū)及嚴(yán)格控制區(qū)等不同區(qū)域（見圖3b），盡可能避免或減少由產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不確定性給村鎮(zhèn)發(fā)展帶來的制約和風(fēng)險，處理好控制與發(fā)展的關(guān)系。

圖3 遠景產(chǎn)業(yè)格局指引及農(nóng)村居民點分類指導(dǎo)圖

從統(tǒng)計分析的深度來看，不足體現(xiàn)在以下2個方面：①目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)的空間表達方式往往是點值圖、單一面值圖或點值圖基礎(chǔ)上的密度圖。實際上，如果很好地研究這些數(shù)據(jù)的空間分布規(guī)律，找到更加精確的“統(tǒng)計數(shù)據(jù)”與“空間單元”的對應(yīng)關(guān)系，就能將這些點數(shù)據(jù)進行合理的空間插值或其他適宜的趨勢面分析，從而發(fā)現(xiàn)城鄉(xiāng)之間、建設(shè)用地與非建設(shè)用地之間、建設(shè)用地中的不同用地類型之間等更加豐富的空間層次中的數(shù)據(jù)價值，得到更加真實的空間分布規(guī)律。②對GIS進行空間分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，通常能進行簡單的描述性統(tǒng)計分析，而進一步的解釋性統(tǒng)計或具有探測性和預(yù)測性的統(tǒng)計挖掘還遠遠不足，甚至在指標(biāo)選取是否恰當(dāng)、分析范圍的尺度是否合適、具體空間單元的劃分是否合適以及一些檢驗方法的運用上都需要深入研究。

以下數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)和方法，在城市規(guī)劃領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用空間：通過動態(tài)窗口建立地理空間與數(shù)據(jù)空間之間聯(lián)系的交互刷新技術(shù)；將統(tǒng)計結(jié)果通過圖形方式予以表達的可視化探索性數(shù)據(jù)分析方法；包括全局角度的趨勢面分析方法、廣義回歸模型方法以及面向局部特征的地統(tǒng)計方法的空間連續(xù)數(shù)據(jù)分析方法；空間自相關(guān)分析以及考慮了空間距離要素的聚類分析、因子分析、判別分析等多元統(tǒng)計分析方法等。它們既是對空間數(shù)據(jù)進行選擇、聚集、趨勢、分類、異常識別、關(guān)系判斷的有效方法，也是對后續(xù)深入分析和建模的有效啟發(fā)。

1.3.3 分析方法有待創(chuàng)新

在對專業(yè)知識充分理解的基礎(chǔ)上，具體的應(yīng)用方式和分析方法也需積極探索與創(chuàng)新，要充分挖掘和體現(xiàn)GIS空間分析在拓?fù)潢P(guān)系、三維分析、柵格與矢量的轉(zhuǎn)換應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)分析、地統(tǒng)計分析、時空追蹤分析等方面的優(yōu)勢。

例如，應(yīng)用拓?fù)潢P(guān)系，可方便地對空間數(shù)據(jù)進行裁切、疊置進而對圖形上的屬性信息進行各種統(tǒng)計，也可應(yīng)用拓?fù)潢P(guān)系進行中心城市和外圍縣市的發(fā)展關(guān)系研究。在中國工程院“中國特色城鎮(zhèn)化道路發(fā)展戰(zhàn)略”項目中的“城鎮(zhèn)化發(fā)展的空間規(guī)劃和合理布局研究”中，利用空間數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系，方便提取出鄰接市區(qū)的縣（市）和不鄰接市區(qū)的縣（市），發(fā)現(xiàn)這2組不同的空間位置在經(jīng)濟增速及人均GDP等方面存在明顯差異；進而分析了全國經(jīng)濟總量前50位的市區(qū)周邊的縣（市）經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r，從而成為認(rèn)識“人均GDP超越全國平均水平的縣市多分布于中心城市周邊，且在省級政策支持下，中心城市與周邊縣市一體化發(fā)展勢頭明顯”的輔助支撐之一。

又如，在石家莊空間發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃中，項目組提出利用GIS提取城區(qū)用地功能結(jié)構(gòu)的需求。通常認(rèn)識中的密度分析只能針對點數(shù)據(jù)或線數(shù)據(jù)，而用地現(xiàn)狀圖是面狀數(shù)據(jù)，于是嘗試將面狀數(shù)據(jù)按一定規(guī)則變換成點狀數(shù)據(jù)，并賦予用地類型、開發(fā)強度等屬性信息，再利用密度分析進行提取功能結(jié)構(gòu)的工作（見圖4）。直觀地展現(xiàn)出現(xiàn)有中心城區(qū)的建設(shè)主要集中在城市二環(huán)路以內(nèi)，各類城市功能混雜集中于面積約為100 km2的空間中，相互交織影響，進而引發(fā)一系列城市發(fā)展問題。

圖4 石家莊空間結(jié)構(gòu)的演變圖

當(dāng)然，這其中面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點狀數(shù)據(jù)的方式、開發(fā)強度等屬性數(shù)據(jù)的權(quán)重、密度計算搜索半徑的設(shè)置、最后表達的各類功能核心聚集地的密度值的取舍等具體參數(shù)的設(shè)置都值得商討和研究。

2 基于模型的空間分析

2.1 基本原理

模型是現(xiàn)實世界的表達，模型的使用有助于理解、描述和預(yù)測世界中實物的發(fā)生、發(fā)展聯(lián)系，是普遍使用的認(rèn)識現(xiàn)實世界的方法和工具。模型具有普遍的意義，地圖、數(shù)學(xué)公式、流程圖、一組結(jié)構(gòu)化的概念等都是模型[3]。

基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的空間分析與基于模型的空間分析并不完全割裂，實質(zhì)上，前者是基礎(chǔ)，往往包含于后者之中，有些數(shù)學(xué)計算正是空間分析模型的前幾個步驟，亦或有些統(tǒng)計分析正是空間分析模型的后幾個步驟?？梢哉J(rèn)為，基于模型的空間分析是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計的空間分析的深入發(fā)展。

2.2 應(yīng)用現(xiàn)狀

基于流程模型的空間分析，建立在流程性的通用分析方法和規(guī)劃分析方法之上。流程性的通用分析方法包括一系列的系統(tǒng)分析方法、決策分析方法，如層次分析法、情景分析法、專家咨詢法等。流程性的規(guī)劃分析方法，有些是規(guī)劃及相關(guān)專業(yè)獨特的分析方法，如水文分析、人口規(guī)模預(yù)測等；有些是在上述通用分析方法的基礎(chǔ)上，形成的較完善的規(guī)劃應(yīng)用模式，有較固定的輸入輸出數(shù)據(jù)指標(biāo)和分析過程。具體對應(yīng)到城市規(guī)劃項目中，解決的是“流域劃分”、“水網(wǎng)分析”、“人口預(yù)測與分布模擬”、“生態(tài)環(huán)境敏感性評價”、“用地適宜性評價”、“城鎮(zhèn)發(fā)展條件評價”、“城市職能分析”、“產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)分析”等方面的問題。

基于理論模型的空間分析，涉及模型建立的依據(jù)是通用基礎(chǔ)理論（空間相互作用關(guān)系理論）和規(guī)劃相關(guān)專業(yè)理論（區(qū)位理論、空間句法理論等）2個層面。具體對應(yīng)到城市規(guī)劃項目中，解決的是“城鎮(zhèn)吸引力分析”、“空間結(jié)構(gòu)特征分析”、“空間形態(tài)特征分析”等方面的問題。

2.3 存在的問題及應(yīng)用建議

2.3.1 重視規(guī)范化、流程化

基于模型的空間分析，首先是針對規(guī)劃需求確定分析方法或理論，然后是具體的步驟組織和分析指標(biāo)的選定，再進行數(shù)學(xué)計算和統(tǒng)計并加以可視化表達。定量化水平的高低，往往能從一定程度上反映一個學(xué)科的發(fā)展水平。而這種定量化、模型化的應(yīng)用，正是城市規(guī)劃提高科學(xué)性和工作效率的一種迫切需求和重要途徑。

然而，這對數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、分析人員的知識構(gòu)成等都有較高的要求，要求規(guī)劃人員在基礎(chǔ)GIS軟件上來實現(xiàn)這些分析難度較大。國外的GIS空間分析應(yīng)用發(fā)展思路，為我們提供了很好的經(jīng)驗借鑒。在空間建模的基礎(chǔ)上，國外形成了眾多典型輔助分析系統(tǒng)，如INDEX、WHAT IF、CommunityViz、Expert Choice等，都在規(guī)劃領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

當(dāng)然，發(fā)展階段不同，所面臨的任務(wù)和需求也有所不同。實踐應(yīng)用中，我們結(jié)合近年來的21項省域城鎮(zhèn)體系規(guī)劃、城市總體規(guī)劃等宏觀尺度的規(guī)劃實踐，總結(jié)出部分宏觀層面的具有通用性的空間分析模型庫（見表1）。

表1 空間分析模型一覽表

GIS應(yīng)用人員或規(guī)劃人員可通過模型的交互界面確定各種參數(shù)設(shè)置，完成對特定城市或區(qū)域的分析。在上述模型庫基礎(chǔ)上的軟件開發(fā)正處在進一步的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程中，對數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的要求過高、交互界面還有待完善、軟件以高度集成還是較靈活的形式推出等方面是下一步重點關(guān)注和需要解決的問題。

2.3.2 推動規(guī)劃理論方法應(yīng)用與發(fā)展

要總結(jié)并建立起豐富的空間分析模型庫，并最終形成應(yīng)用工具，無疑離不開規(guī)劃領(lǐng)域相關(guān)理論方法的健康發(fā)展，這一方面需要已有理論方法的細化、深化，以達到完成空間建模的要求，另一方面需要適應(yīng)當(dāng)前發(fā)展階段規(guī)劃需求的新的規(guī)則的產(chǎn)生、方法的總結(jié)和理論的形成。

文獻[4]總結(jié)了城市規(guī)劃調(diào)查方法、城市經(jīng)濟分析方法、城市人口規(guī)模預(yù)測方法、城市用地選擇方法、城市規(guī)劃決策方法等內(nèi)容。當(dāng)然，由于是規(guī)劃教材，這里的規(guī)劃方法是基礎(chǔ)性的，但在忙碌的實際工作和大量的實踐項目中，能以流程或規(guī)范的方式予以總結(jié)并具有一定通用性的新規(guī)則和新方法也是乏善可陳。規(guī)劃領(lǐng)域的GIS應(yīng)用人員應(yīng)在其中起到一定的推動作用，推動已有理論方法的模型化應(yīng)用，推動基于空間建模的項目實踐和科研積累，如與某些空間模型配套的參數(shù)設(shè)置或分析結(jié)果的類型劃分、參考值推薦等，從而推動規(guī)劃理論方法的應(yīng)用和發(fā)展。

3 結(jié) 語

當(dāng)前中國城市規(guī)劃市場更多強調(diào)硬件（項目、物理數(shù)據(jù)和決策），而較少強調(diào)軟件（政策、社會經(jīng)濟信息、主體和知識）。為達到有效的城市規(guī)劃，規(guī)劃支持系統(tǒng)發(fā)展或信息支持應(yīng)在方法論、模型、規(guī)劃支持系統(tǒng)開發(fā)、地方數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施方面采取專門的戰(zhàn)略[5]。

GIS輔助城市規(guī)劃空間分析涉及到地理信息、城市規(guī)劃、系統(tǒng)分析、統(tǒng)計等多個學(xué)科領(lǐng)域，其技術(shù)、理論、模型、方法等內(nèi)容紛繁復(fù)雜。文獻[6]對規(guī)劃支持系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架進行了系統(tǒng)的總結(jié)。但現(xiàn)階段，數(shù)據(jù)積累基礎(chǔ)較差，GIS應(yīng)用的人員構(gòu)成、知識構(gòu)成及工作組織模式尚不完善，在經(jīng)濟快速發(fā)展的大背景下傳統(tǒng)規(guī)劃模式的需求有一定路徑依賴，公眾參與進程尚在起步階段等眾多困難的存在，使得GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用仍然任重道遠。

最后，再強調(diào)幾點對GIS輔助城市規(guī)劃空間分析的認(rèn)識：

1）充分認(rèn)識基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的重要性?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)不僅要對空間數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理、管理與應(yīng)用，還要重視記錄規(guī)劃的過程，包括某次討論中的思維火花、某個階段的過程成果、某種具有創(chuàng)意的圖形表達方式等，同時，對數(shù)據(jù)庫的管理要在知識管理的大框架下展開，為下一階段的GIS空間分析提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）強調(diào)人的作用，強調(diào)定性分析與定量分析的結(jié)合。推廣GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用，絕不可走上唯工具論、唯技術(shù)論的歧途。不可否認(rèn)，城市問題的個性突出，因地制宜是基本原則，所以筆者認(rèn)為GIS的工具作用必然是“半成品”，是供規(guī)劃人員加入經(jīng)驗、定性判斷、進行取舍的；供公眾及社會團體加入主體意愿參與其中、交流協(xié)商的；供決策者綜合多方因素進行最終決策的。

3）現(xiàn)階段規(guī)劃輔助工具的開發(fā)應(yīng)注重分散性、靈活性，追求去繁求簡的目標(biāo)。計算機技術(shù)必須能夠反映、體現(xiàn)規(guī)劃中的不同的價值觀，而且體現(xiàn)各種價值觀的技術(shù)必須是公開、透明、易于理解的，這樣才有利于工具的推廣應(yīng)用。

4）在上一個認(rèn)識的基礎(chǔ)上，重視發(fā)揮規(guī)劃中信息技術(shù)支持在搭建交流平臺、構(gòu)建過程規(guī)劃中的作用。西方城市規(guī)劃逐步從“為公眾規(guī)劃”轉(zhuǎn)變到“與公眾一起規(guī)劃”，需要有新的工具支持這種規(guī)劃模式，能在其中起到交流、溝通的功能，為參與規(guī)劃各方（決策者、專業(yè)規(guī)劃師、普通公眾）提供一個互動的交流平臺。

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